基于开源3DGIS引擎的铁路工程
BIM建造数字化平台应用研究
倪苇1，2，许兴旺1，2，张坤1，2
（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043；
2.中国铁建BIM工程实验室，陕西西安710043）
摘要：为提高铁路工程建设过程中的信息化管理水平，对基于开源3DGIS引擎的BIM建造数字化平台进行研究，形成平台基础数据处理方案、开发总体架构，实现基于BIM技术的铁路工程建设项目三维进度展示、图纸管理、质量管理、安全管理等功能，满足铁路工程建设数据的综合可视化和分析应用，有效提高工程建设管理的质量和效率。
前端大文件上传解决方案关键词：开源3DGIS；BIM；铁路工程；数字化平台
中图分类号：U215.1                文献标识码：A                文章编号：1672-061X（2023）04-0079-05 DOI：10.19550/j.issn.1672-061x.2023.04.10.004
0 引言
随着我国高速铁路建设规模不断扩大，高速铁路工程涉及站场、桥梁、隧道、路基等多个专业［1］，且建设过程中地质条件复杂多变、风险隐患众多，存在信息化管理和现场管理“2张皮”的现象［2-3］。针对高速铁路工程跨度大、线性带状等特点［4］，借助BIM模型精细化优点和GIS宏观三维场景分析的优势，铁路工程BIM与GIS结合应用日趋紧密［5］。
近年来，满足BIM+GIS应用需求的WebGL引擎发展迅速，如国外Bentley公司推出的imodeljs，国内基于Cesium改造的WebGIS平台包括超图iClient for Cesi⁃um［6-9］、图新地球Wish3DEarth等。同时，实景三维中
国、CIM、数字孪生等重大项目的全面推进，以及We⁃bAssembly、WebGPU、WebXR等Web3D技术的创新，为三维BIM+GIS技术和产品的创新带来了新的可能。随着5G、云计算等新技术的全面推广［10-11］，Web端海量空间信息的高效传输、协同共享具备了坚实基础。
基于三维开源GIS引擎Cesium，对铁路工程BIM建造数字化平台关键技术进行研究，以实现BIM+GIS在铁路施工建设过程中的综合应用。
基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（N2020G038）；中铁第一勘察设计院集团有限公司科
技研发项目（院软2021RJ35）
第一作者：倪苇（1988—），男，高级工程师。
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1 基础数据处理
GIS 三维场景中主要涉及的多源数据包括地形影像
数据、矢量专题数据、BIM 模型数据，对应数据处理流程见图1。
（1）地形影像数据处理：高精度DEM 地形通过Ce⁃siumLab 切片为terrain 格式、高分辨率DOM 影像切片为png 格式、倾斜实景模型数据通过CesiumLab 工具将os⁃gb 转为3D tiles 格式，然后通过CesiumLab 进行网络发
布，即可在前台加载显示倾斜实景模型。
（2）矢量专题数据处理：不良地质、线路中线等矢量数据均为标准的shp 格式文件，Cesium 中不能直接加载，需通过GDAL 工具转换为geojson 格式，Cesium 前端实时进行自定义风格样式绘制加载显示。
（3）BIM 模型数据处理：通过上传rvt 、dgn 格式文件到服务器后台，调用BimAngle 插件转换处理为3D tiles 格式瓦片文件，支持任意中央子午线经度和带投影面高的工程坐标系。BIM 数据处理包括原始模型
文件上传和后台轻量化2步操作，其中采用RabbitMQ 作为消息队列中间件解决多用户上传模型排队问题，后台服务器实时监听文件上传状态。后台服务器指定目录下预先创建Input 和Output 两个文件夹，其中In⁃put 存储客户端本地上传的原始BIM 设计文件，Output
下面存放经过轻量化转换生成的3D tiles 瓦片文件。借助BIM 轻量化服务平台，系统用户可实时在线预览转换后的BIM 模型，BIM 轻量化服务发布平台界面见图2。
2 平台技术架构设计
平台GIS+BIM 开发主要是运用Cesium 开源引擎和BimAngle 框架，通过Cesium 的Viewer 进行影像、地形、矢量数据的加载；利用BimAngle 工具对BIM 模型进行
轻量化处理，最后通过Cesium3DTileset 加载BIM 模型的三维瓦片数据包。基于开源3DGIS 引擎的铁路工程BIM 建造数字化平台采用B/S 的N 层架构体系，包括数据层、微服务层、呈现层和应用层，平台总体架构见图3。
（1）数据层。数据层采用MySQL 数据库存放业务数据，Redis 作为数据库缓存，通过JDBC （Java DataBase Connec⁃tivity ）提供Java API 进行增删改查操作［12］。文件管理采用FastDFS 作为轻量级分布式文件系统，用来实现文件的存储、访问、同步等操作，解决大容量存储和负载均衡问题。
（2）微服务层。微服务层主要基于SpringCloud 框架，包括熔断保护、安全控制、日志收集、服务治理、服务发现、统一配置等监控保护服务组件，为平台前端提供所需的接口服务。
（3）呈现层。呈现层采用VUE+Element 作为前端UI 框架，Cesium 作为3DGIS 引擎实现Web 在线浏览三维场景。
（4）应用层。应用层直接面向用户，包括移动端和网页端访问及BIM 轻量化工具。
3 平台功能应用
3.1　首页展示
首页以驾驶舱界面形式展示，包括地图数据切换（影像、地形、倾斜）、地形开挖、模型移动、地膜透明及显示、模型裁剪、模型显示样式、场景漫游、属性查
询等基础操作。
图1
　多源数据处理流程
图2　BIM 轻量化服务发布平台界面
3.2　质量安全
（1）超前地质预报数据展示：包括展示掌子面素描、地震波反射、电磁波反射3类数据，在三维场景中以不同颜带里程标签的插旗表示，单击插旗查询返回成果报告（见图5）。
（2）现场拌合站数据展示：通过在场景中添加拌合站BIM 模型，并对拌机添加身份标识等属性信息，展示对应拌合站的工单信息。
（3）接触网检测数据展示：通过场景中查询接触网杆编号ID 属性信息，与接触网检测系统中编号一致，从而返回接触网检测结果数据。
3.3　图纸管理
图纸管理将二维PDF 设计图纸与BIM 模型构件关联，方便进行查阅对照。包括添加图纸、编辑图纸信
息、按条件进行检索、查看图纸附件等功能。同时，
图3
　平台总体架构
图4
　首页展示界面
图5　超前地质预报查询
支持查看图纸对应的工程部位，点击工程部位会跳转到三维场景中相应模型位置。
3.4　施组仿真
施组仿真对接现场施工日志进度数据，分别对桥梁、隧道在二维形象进度图的基础上进行三维可视化。其中，隧道形象进度展示主要是初期支护、仰拱、二次衬砌，根据施工状态分为4类：未施工的构件不显示，初支施工完成的为红半透明显示，仰拱施工完成的显示黄，二次衬砌施工完成的按实体原材质显示。桥梁形象进度展示上部结构（梁段）和下部结构（墩身、承台和钻孔桩）。通过不同颜样式渲染表达状态，绿表示已经施工完成，蓝表示正在施工中，原始外观表示未开始施工。桥梁三维形象进度展示见图7。
3.5　系统设置
系统设置主要包括施工标段管理、单位管理、工点管理、用户和角权限管理及模型变更等，其中工点管理用于绑定工点对应BIM 模型服务地址。
3.6　移动端APP
移动端继承了网页端的三维场景浏览及操作功能，
主要用于施工现场质量、安全问题填报和设计图纸查看。移动端APP 功能界面见图8。
4 总结与展望
BIM 建造数字化平台结合站前工程施工管理及BIM
应用等业务需求，通过对地形和BIM 模型进行格式转换及发布服务，实现基于开源3DGIS 引擎的三维场景Web 端浏览。并在三维场景的基础上实现基于BIM 的工程形象进度展示和施组仿真、质量安全管理、图纸
管理等典型应用，探索并验证BIM 从设计阶段往施工阶段的部分典型应用，有助于提升BIM 全生命周期的使用价值。
在实施过程中，仍存在以下问题：GIS 平台在线加载精细化BIM 模型和大范围高精度倾斜实景模型时，显示效率仍待优化；开源GIS 引擎Cesium 对比Unity3D 、UE4等游戏引擎，显示效果仍存在不足；有些业务数据在BIM 三维平台上展现仍然存在困难，如隧道围岩量测数据（断面拱点、收敛线）仍需借助传统二维表单形式进行表达。
参考文献
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的轨道交通工程BIM+GIS 平台研究［J ］.土木建筑工程信息技术，2020，12（5）：46-52.
［2］ 李宗建，刘晓奇，刘彦明.基于BIM 的铁路工程建
造管理平台研究［J ］.铁路技术创新，2021（4）
：
图6
　图纸管理界面
图7
　桥梁三维形象进度展示
图8　移动端APP 功能界面
37-44.
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责任编辑明芳
收稿日期 2023-04-10
Research on Application of Railway Engineering BIM Construction Digital Platform Based on Open Source 3DGIS Engine
NI Wei1,2, XU Xingwang1,2, ZHANG Kun1,2
(1. China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an Shaanxi 710043, China;
2. CRCC BIM Engineering Laboratory, Xi’an Shaanxi 710043, China)
Abstract: In recent years, the railway industry has vigorously promoted the research and exploration of BIM+ GIS technology and achieved preliminary results in several pilot projects.In order to improve the informatization management level in the process of railway engineering construction, the BIM construction digital platform based on open source 3DGIS engine is studied to form a basic data processing scheme and an overall development architecture for the platform, achieve functions such as three-dimensional progress display, drawing management, quality management and safety management of railway engineering construction projects based on BIM technology, and realize compr
ehensive visualization, analysis and application of railway engineering construction data, thus effectively improving the quality and efficiency of project construction management.
Keywords: open source 3DGIS; BIM; railway engineering; digital platform

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